感应电机驱动的无源EMI滤波器设计

1、 电器电磁兼容技术 题目: 感应电机驱动的无源EMI滤波器设计 姓 名 卢正通 学 号 班 级 硕研12班 专 业 电力电子与电力传动 开课学期 2013至2014学年第2学期 提交时间 2014 年 6 月30 日 一引言现代化电机驱动系统(PWM变频器-感应电机驱动系统)由于采用了变频器对电能进行变换和控制,而使其运行特性由自然特性变为可控的人工特性,性能指标得到极大的提高,并且系统结构紧凑、控制简单,因此这一系统在现代工业中得到了广泛应用。但是由于系统采用了电压源脉宽调制(PWM)控制方式,变频器中的电力电子器件工作在开关状态,du/dt、di/dt较大,开关电压、电流均含有丰富的高次谐

2、波,因此电机驱动系统的电磁干扰(EMI)问题显得尤为突出,并严重地影响了周围系统的正常工作。国学者相继围绕着电机系统的干扰源、传播途径和敏感设备这3个方面开展了理论及应用技术的研究工作,并取得了一定的成就。总体上包括两类:一类是通过改善控制策略和优化电路拓扑结构来降低干扰源的干扰强度;另一类是通过滤波器来抑制干扰的传播。本报告介绍无源EMI滤波器的设计，以及在感应电机驱动中的应用，并且该EMI滤波器对电机驱动产生的传导EMI能起到一个很好的抑制作用。二无源 EMI 滤波器介绍2.1无源EMI滤波器特点 虽然目前实际工程中的滤波器品种繁多，但与常规谐波滤波器相比，用于抑制电磁干扰的 EMI 滤波

3、器有以下几个显著特点：1) 应具有双向抑制性。即它能毫无衰减地将有用信号传输给电子设备，又能最大地限度地衰减或阻断来自信号源端的高频 EMI 噪声，以保护设备免受电磁干扰，同时还能最大限度地衰减或阻断来自电子设备产生的EMI 噪声，防止它进入信号源端，污染其电磁环境，干扰其它电子设备的正常工作。2) EMI 滤波器往往工作在阻抗不匹配的状态下。由于源阻抗和负载阻抗都是关于频率的函数，都会随着频率的变化而变化，难以实现全频段插入损耗最大。3) EMI 滤波器主要是用来抑制高频噪声的。因此，所选用元器件的寄生参数必须严格控制，否则会因寄生参数过大而降低滤波性能，甚至有可能发生谐振而加剧干扰。2.2

4、 无源 EMI 滤波器的基本拓扑结构 无源 EMI 滤波器一般是由电阻、电感、电容组成，按拓扑结构的不同通常分为 LC 型、CL 型、T 型和 型四种。如图： 四种类型的EMI滤波器而目前最为常用电源 EMI 滤波器结构见下图所示。 常见的EMI 滤波器结构2.3 无源EMI滤波器应用原则而为了保证 EMI 噪声可以获得最大的衰减，应使相互连接的各端口处于严重失配状态，以实现尽可能大的反射损耗，达到对 EMI 噪声更加有效的抑制。所以无源 EMI 滤波器的设计与应用时应该遵循以下原则：1) 当电源端、负载端均为低阻抗时，应选用 T 型结构滤波器；2) 当电源端、负载端均为高阻抗时，应选用 型结

5、构滤波器；3) 当电源端为低阻抗，而负载端为高阻抗时，应选用 LC 型结构滤器；4) 当电源端为高阻抗，而负载端为低阻抗时，应选用 CL 型结构滤波器。三感应电机驱动系统中的应用设计3.1 电机驱动无源滤波器设计为了能够在不影响差模工作电流的前提下，既能够准确地检测到共模电压，同时又不会使共模变压器第四绕组所复制出的共模电压精准低，而且还具有相对较小的体积。本文设计了由电感和电容两部分组成的EMI滤波器，结构如图 所示：该设计其各相绕组的匝数相同、同名端处于铁心的同一侧，且三相绕组为星型联接，铁心由两个 E 型结构铁心对接组成。并联在电感器各相绕组两端的电容可以为共模电流的高频成分提供低阻抗流

6、通路径，以提高共模变压器第四绕组的高频驱动电流，改善滤波器的高频特性。上图中b)结构的设计中，根据磁路理论可得，当大小一定的差模电流流经线圈绕组时，由于铁心内部磁通为最大值，则该电感器可以为差模电流提供一个相对于电机绕组阻抗来说可视为开路的高阻抗差模电感，此时铁心磁通密度分布见下图a)所示(由于三相差模电流分量在任意时刻都是三相之和为零，所以对应于差模工作电流的磁通会出现图 a)所示的两种情况)；反之，当大小一定的共模电流流经线圈绕组时，由于铁心内部磁通为最小值，于是该电感器可以为共模电流提供一个相对于电机绕组阻抗来说，可以视为短路的低阻抗共模电感，以便使共模电流无衰减地通过，为共模变压器第四

7、绕组提供最大的驱动电流，确证第四绕组复制出精确的共模补偿电压，此时铁心磁通密度分布见下图b)所示。由图 b)可见，对应于共模分量，铁心内部具有小的磁通，此时共模电感值主要由漏磁场决定，其值远小于差模电感值。 该设计中电感对应于差模/共模信号的磁通密度 对于图 b)所示的电容器 C，由于选值很小，所以对于低频差模工作电流，相当于开路，所以不会增大流入检测电路的差模电流，影响感应电机的差模工作电流；对于高频共模电流，则起着减小相对阻抗的作用，并且这种作用会随着频率提高而增大，这有利于提高共模变压器复制高频共模电压的精度，增大滤波器的共模插入损耗。3.2 感应电机的无源滤波器的驱动电路 该无源共模

8、EMI 滤波器消除共模电压的基本思想是共模补偿电压的反向叠加。它主要由共模电压检测电路和用于电压反向叠加的四绕组共模变压器这两个主要部分组成，电路拓扑结构下图所示。该滤波电路中的电容 Cf用于防止直流成分注入共模变压器绕组，而引起磁饱和。 上述设计的EMI滤波器在感应电机驱动中应用的拓扑结构而电压反向叠加的四绕组共模变压器主要作用是为了实现共模电压补偿的做用如下图： 共模电压补偿原理图如果将 PWM 功率变换器输出的共模电压用一个电压源 Ucm表示，于是本文所提出的无源EMI 滤波器共模等效电路可以用下图表示： 滤波器的共模等效电路图由上图分析可知：1.PWM 功率变换器产生的共模电压成分主要集中在开关频率及其整数倍上。因此为了避免发生谐振，该共模滤波器的谐振频率必须小于功率变换器的开关频率。2.为了避免电容 Cf对共模电压的分压过大，而造成共模变压器第四绕组所复制出的共模电压误差过大，在条件允许的情况下应尽可能地增大电容值。3.该滤波器的插入损耗与共模变压器第四绕组电感值和隔直电容器电容值乘积的大小相关。另外并联电容C可以改善无源 EMI 滤波的高频特性，有助于抑制感应电机侧共模电压高频成分和传导 EMI 的高频成分, 提高该滤波器高频段的插入损耗,对该电路的意义重大。四总结本文介绍了无源